工程矩阵的定义
分块矩阵
分块矩阵的乘法可以表示为:
AB=(A11A21A12A22)(B11B21B12B22)
对于分块矩阵,有性质:(AB)∗=(A∗,B∗)
矩阵方程组
设方程组 Ax=b, A=(aij)m×n, b=(bi)m×1,则有:
- 有解 ⇔r(A)=r(A,b)
- 若 r(A)=r(A,b)=r<n,则有解且有 n−r 个自由未知量
- 若 r(A)=r(A,b)=r=n,则有唯一解
齐次线性方程组的基础解系
对齐次线性方程组 Ax=0,A=(aij)m×n,则有:
- 非零解 ⇔r(A)<n
- 若 r(A)=r<n,则其基础解系中含有 n−r 个解向量
- 若 r(A)=r<n,则其任意 n−r 个线性无关的解向量就是其基础解系
高斯消元法:
- 用初等行变换将 A 逐步化成阶梯形矩阵
- 确定自由未知量
- 用回代法找出通解
极大无关组
设向量组 α1,α2,⋯,αm 的所有极大线性无关组 αi1,αi2,⋯,αir 满足:
- αi1,αi2,⋯ 线性无关
- α1,α2,⋯,αm 中每个向量都可由 αi1,αi2,⋯,αir 线性表示
则称 αi1,αi2,⋯,αir 是 α1,⋯,αm 的一个极大无关组。
定理:
- 若向量组的秩为 r,则该向量组中任意 r 个线性无关的向量组是其极大无关组
- 如果一向量组的极大无关组中含 r 个向量,则称该向量组的秩为 r
矩阵的等价标准形
s×n 矩阵 A 的秩等于 r ⇒ 存在可逆矩阵 Ps×s,Qn×n 使得
A=P(Ir000)Q
消去分解
s×n 矩阵 A 的秩为 r,存在 s×r 矩阵 B 和 r×n 矩阵 C 使得 A=BC,即矩阵的消去分解。
定理:
- r(A+B)≤r(A)+r(B)
- r(AB)≤r(A),r(B)
- r(A)+r(B)≤r((Akk,Bkk))+n
线性空间和线性变换
线性空间的定义和性质
线性空间的定义
线性空间满足下述三个要求建立的八条公理:
- 一个数域 K,一个非空集合 V(V 中的元素称为向量)
- 两个运算:
- 加法:∀x,y∈V, 记作:x+y∈V
- 数乘运算:∀a∈K,x∈V, 记作:ax∈V
- 这两个运算满足如下八条公理:
- 加法交换律:∀α,β∈V, α+β=β+α
- 加法结合律:∀α,β,γ∈V, (α+β)+γ=α+(β+γ)
- 零元存在性:存在 0∈V, 使得 ∀α∈V, 有 α+0=α
- 负元存在性:∀α∈V, 存在 β∈V, 使得 α+β=0
- 数乘结合律:∀λ∈K,α∈V, λα∈V
- 乘法结合律:∀k1,k2∈K,∀α∈V, 有 k1(k2α)=(k1k2)α
- 分配律一:∀k∈F,∀α,β∈V, 有 k(α+β)=kα+kβ
- 分配律二:∀k1,k2∈F,∀α∈V, 有 (k1+k2)α=k1α+k2α
线性空间的性质
设 V 是数域 F 上的线性空间,∀α,β,γ∈V,k∈K,则:
- V 中的零元是唯一的,通常记为 0
- 任何一个向量的负向量是唯一的,通常记为 −a
- 加法满足消去律:若 α+γ=β+γ,则 α=β
- 若 α+β=0 且 α=−β,则 β=−α
- k⋅0=0, 0⋅α=0
- (−k)α=−kα, 特 别地, (−1)α=−α
线性相关与线性无关
定义
设 α1,α2,⋯,αn∈V,若有不全为 0 的数 k1,k2,⋯,kn 使得 k1α1+k2α2+⋯+knαn=0,则向量组 α1,α2,⋯,αn 线性相关。否则,称线性无关。
性质
- 若 n≥2,则 α1,α2,⋯,αn 线性相关当且仅当存在向量 αi 使得它可由其余向量线性表示
- 向量 α1,α2,⋯,αn 能否无关,但 α1,α2,⋯,αn,αn+1 线性相关,则可知 αn+1 可由前面线性表示,而且,线性表示的方式是唯一的
推论
- 若 β1,β2,⋯,βn 线性相关,α1,α2,⋯,αn 线性无关,则 β1,⋯,βn 不能都由 α1,⋯,αn 线性表示
- 若 β1,β2,⋯,βn 线性无关,α1,α2,⋯,αn 线性相关,则 αi=βi
基和维数
基的定义
若 α1,α2,⋯,αn∈V 满足:
- 向量组 α1,⋯,αn 线性无关
- ∀β∈V,均可由 α1,⋯,αn 线性表示
则称 α1,⋯,αn 是 V 的一组基
基的性质
- 线性空间的基不一定存在,仅当一个空间由有限向量系生成,基相当于可以简明生成的最简集
- 注意:有限维线性空间 V 中任意线性无关向量组均可扩展成基
维数
- 若 V 的某一组基中 含 n 个向量,则 V 的任一组基中都含 n 个向量
- 称 V 是 n 维空间,记为 dimV=n
- 规定零空间的维数为 0
维数的性质
- 若 dimV=n,则 V 中任意 n+1 个向量线性相关
- 定理:若 dimV=n,则 V 中任意 n 个线性无关向量均构成 V 的一组基
坐标和形式记导
坐标的定义
设 α1,α2,⋯,αn 是 V 的一组基,β∈V,且 β=x1α1+x2α2+⋯+xnαn,则称 (x1,x2,⋯,xn) 是 β 在基 α1,⋯,αn 下的坐标。
坐标的性质
假设 ηi∈V 是基 α1,⋯,αn 下的坐标分析对应关系,及 Xi, i=1,2,⋯,n,则:
- n=0⇒X=0
- 若 η1=x1α1+⋯+xnαn, 则 X=(x1,x2,⋯,xn)T
- η1,⋯,ηn 线性相关 ⇔X1,⋯,Xn 线性相关
形式记导
- X=x1x2x3 是在基 α1,α2,α3 下的坐标
- 则可形式记成 β=(α1,α2,α3)X
形式记导的性质
- 若 βi=(α1,α2,⋯,αn)A,β1,β2,⋯,βn 线性无关 ⇔A 是可逆矩阵
- 若有 (β1,β2,⋯,βn)=(α1,α2,⋯,αn)A
(η1,η2,⋯,ηn)=(β1,β2,⋯,βn)B
则有 (η1,η2,⋯,ηn)=(α1,α2,⋯,αn)(AB)
过渡矩阵
定义
设 α1,⋯,αn 和 β1,⋯,βn 都是 V 的基,且 (β1,⋯,βn)=(α1,